CN115816423A - 用于机器人的并联机构云台装置、位姿控制方法及控制器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于机器人的并联机构云台装置、位姿控制方法及控制器，通过三个第一驱动机构构成的3‑RRS并联机构以及一个第二驱动机构构成的1‑偏航机构的机构形式，3‑RRS并联机构具有刚度大、精度高、动态性能好、易于轻量化和小型化的优点，同时1‑偏航机构的设置增大了并联机构的工作空间，解决了串联云台从动平台到静平台，每一级关节的等效惯量会逐级叠加，影响动态性能，定位误差会逐级累计，难以做到很高的控制精度，开链式结构的刚度一般，承载能力有限，并联机构直线关节的结构不紧凑，行程有限，不利于云台装置的小型化和轻量化的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及机械控制技术领域，尤其涉及一种用于机器人的并联机构云台装置、位姿控制方法及控制器。
背景技术
在机器人领域，感知是一项很重要的能力，它使得本体能够获得环境和自身的各种信息，并以此为基础进行决策、规划和执行。视觉信息作为内容最丰富的信息来源，是目前机器人完成环境感知的重要实现方式。
视觉信息的采集通常借助可见光和红外等类型的传感器实现。单一传感器的可探测范围有限，采用传感器阵列的方式可以实现探测范围的扩大，能够同时各方位的视觉信息；但相应的传感器数量的增加会造成硬件成本的提升，内外空间也会有较多占用，只适用于自动驾驶等实时性要求高的场景。
在机器人的工作过程中，经常会遇到路面不平的情形，此时机器人根据路面激励会产生一定程度的纵向振动，固定安装在机器人本体上的传感器采集到的图像质量会受到比较大的影响。在起伏路面行驶过程中，机器人本体姿态也会不断变化，传感器光轴无法始终聚焦在被探测对象上，容易造成捕捉对象的丢失。
云台是一种具有运动能力的支撑设备，借助于云台的水平旋转、俯仰等运动，可以扩大视觉传感器的扫描探测范围，实现图像跟踪等功能。同时，配合惯性传感器进行姿态补偿和加速度补偿，还可以实现对外部扰动的抑制，增强图像采集的稳定性。
现有的云台从驱动机构的形式上可分为串联云台和并联云台。
串联云台是指若干个单自由度的基本机构顺序联接而成的一种开链式云台，一般选用转动副作为作为单个自由度的实现形式。在移动安防和巡检领域目前常用的是两轴云台，通过偏航轴和俯仰轴串联，实现对于光轴方向的控制。在航空机载领域还常用到三轴串联云台(吊舱)，在偏航和俯仰运动的基础上增加一个滚转方向的自由度，实现视觉传感器的全向姿态控制。四轴云台常用在专业视频拍摄领域，一般在俯仰方向额外增加一个自由度，两个平行的俯仰轴可实现云台纵向的位移，以此来抑制振动。
串联云台的控制原理简单，应用广泛，但受限于固有的形式，其瓶颈同样十分明显：其一，从动平台到静平台，每一级关节的等效惯量会逐级叠加，影响动态性能；其二，机构的定位误差会逐级累计，难以做到很高的控制精度；其三，开链式结构的刚度一般，承载能力有限；其四，基座的电气走线需要逐级通过各个关节到达末端，安装维护不便；
并联机构具有刚度大、精度高、动态性能好等优点。目前，对于并联式云台的实际应用较少，其控制方法也比较比较欠缺。专利CN 109669482 A和CN 211893450 U提出了对于3-RPS型并联云台的位姿控制方法。3-RPS机构的求解相对简单，通过动-静平台的相对位姿可直接对直线关节的伸缩量求反解；但直线关节的结构不紧凑，行程有限，不利于云台装置的小型化和轻量化。
发明内容
本申请提供了一种用于机器人的并联机构云台装置、位姿控制方法及控制器，解决了串联云台从动平台到静平台，每一级关节的等效惯量会逐级叠加，影响动态性能，定位误差会逐级累计，难以做到很高的控制精度，开链式结构的刚度一般，承载能力有限，并联机构直线关节的结构不紧凑，行程有限，不利于云台装置的小型化和轻量化的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种用于机器人的并联机构云台装置，所述装置包括：
静平台，所述静平台与机器人本体固定连接；
与所述静平台固定连接，且绕所述底座的中心间距120°设置的三组第一驱动机构；
分别与每组所述第一驱动机构的动力输出端轴连接的第一连接件，所述第一驱动机构带动所述第一连接件绕所述驱动机构旋转运动；
通过第一旋转连接件与所述第一连接件活动连接的第二连接件；
动平台的底部通过第二旋转连接件与所述第二连接件活动连接；
所述动平台的上部设置有轴承，且所述轴承与所述动平台的中心线共轴；
采集组件通过所述轴承与所述动平台旋转活动连接。
可选地，所述采集组件包括：
主框架、视觉传感器、第二驱动机构以及测控单元；
所述视觉传感器以及所述测控单元分别固定设置于所述主框架上，且所述视觉传感器的光轴与所述动平台的中心轴线存在第一角度的夹角；
所述第二驱动机构与所述主框架固定连接，且所述第二驱动机构的动力输出端通过第三连接件与所述轴承连接，所述第二驱动机构带动所述采集组件与所述动平台旋转活动。
可选地，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构还包括角度传感器。
可选地，所述测控单元包括惯性测量元件以及控制器；
所述控制器分别与三组所述第一驱动机构、所述第二驱动机构的控制端和输出端以及所述惯性测量元件、所述视觉传感器、机器人本体的惯性测量元件以及控制器的输出端连接。
可选地，若所述视觉传感器的数量为两个或两个以上，则两个多两个以上所述视觉传感器的光轴均与所述动平台的中心轴线存在所述第一角度的夹角。
可选地，若所述视觉传感器的数量为两个或两个以上，则两个或两个以上所述视觉传感器的光轴与所述动平台的中心轴线的夹角分别为不同的角度。
本申请第二方面提供一种位姿控制方法，应用于本申请第一方面任意一项所述的用于机器人的并联机构云台装置，所述方法包括：
S1、采集组件获取末端坐标系的目标姿态以及静平台坐标系的第一实际姿态；
S2、所述采集组件根据所述第一实际姿态到所述目标姿态的姿态变换，得到三个第一驱动机构的输出轴转角；
S3、所述采集组件将三个所述第一驱动机构的输出轴转角分别发送至三个所述第一驱动机构的控制端，使得三个所述第一驱动机构根据所述输出轴转角输出动力；
S4、所述采集组件获取末端坐标系的第二实际姿态；
S5、所述采集组件判断所述第二实际姿态到所述目标姿态的误差值是否在预设范围内，若是，则完成位姿控制，若否，则根据所述第一实际姿态到所述第二实际姿态的姿态变换，得到三个所述第一驱动机构的输出轴转角，并返回至步骤S3。
可选地，还包括：
S6、将预设时间点末端坐标系姿态设置为初始姿态，所述采集组件对所述预设时间点采集得到的测控单元的惯性测量元件的第三实际姿态进行记录；
S7、所述采集组件获取到末端坐标系的实时的第四实际姿态；
S8、若所述第四实际姿态到所述第三实际姿态的误差值不在预设范围内，则所述采集组件根据机器人本体的惯性测量元件测量得到的静平台坐标系的第五实际姿态到所述第四实际姿态的姿态变换，得到三个所述第一驱动机构的输出轴转角，并返回至步骤S3。
可选地，还包括：
S9、所述采集组件获取所述机器人本体的惯性测量元件测量得到的静平台坐标系的Z向实际加速度；
S10、所述采集组件根据所述Z向实际加速度计算得到三个所述第一驱动机构对应的角速度；
S11、所述采集组件将三个所述第一驱动机构的角速度分别发送至三个所述第一驱动机构的控制端，使得三个所述第一驱动机构根据所述角速度输出动力。
本申请第三方面提供一种位姿控制器，所述控制器包括处理器以及存储器：
第一获取单元，用于获取末端坐标系的目标姿态以及静平台坐标系的第一实际姿态；
计算单元，用于根据所述第一实际姿态到所述目标姿态的姿态变换，得到三个第一驱动机构的输出轴转角；
发送单元，用于将三个所述第一驱动机构的输出轴转角分别发送至三个所述第一驱动机构的控制端，使得三个所述第一驱动机构根据所述输出轴转角输出动力；
第二获取单元，用于获取末端坐标系的第二实际姿态；
处理单元，用于判断所述第二实际姿态到所述目标姿态的误差值是否在预设范围内，若是，则完成位姿控制，若否，则根据所述第一实际姿态到所述第二实际姿态的姿态变换，得到三个所述第一驱动机构的输出轴转角，并跳转至所述发送单元。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了一种用于机器人的并联机构云台装置，通过三个第一驱动机构构成的3-RRS并联机构以及一个第二驱动机构构成的1-偏航机构的机构形式，3-RRS并联机构具有刚度大、精度高、动态性能好、易于轻量化和小型化的优点，同时1-偏航机构的设置增大了并联机构的工作空间，解决了串联云台从动平台到静平台，每一级关节的等效惯量会逐级叠加，影响动态性能，定位误差会逐级累计，难以做到很高的控制精度，开链式结构的刚度一般，承载能力有限，并联机构直线关节的结构不紧凑，行程有限，不利于云台装置的小型化和轻量化的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的第一视角结构示意图；
图2为本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的第二视角结构示意图；
图3为本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的第三视角结构示意图；
图4为本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的机构简图；
图5为本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的3-RRS机构反解图；
图6为本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的控制系统框图；
图7为本申请实施例中一种位姿控制方法的第一个方法流程图；
图8为本申请实施例中一种位姿控制方法的第二个方法流程图；
图9为本申请实施例中一种位姿控制方法的第三个方法流程图；
其中，附图标记为：
1、静平台；2、第一驱动机构；3、第一连接件；4、第二连接件；5、动平台；6、采集组件；7、轴承；Pi、第一旋转连接件；Ai、第二旋转连接件；Bi、第一驱动机构的动力输出端；6-1、主框架；6-2、视觉传感器；6-3、第二驱动机构；6-4、测控单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请设计了一种用于机器人的并联机构云台装置、位姿控制方法及控制器，解决了串联云台从动平台到静平台，每一级关节的等效惯量会逐级叠加，影响动态性能，定位误差会逐级累计，难以做到很高的控制精度，开链式结构的刚度一般，承载能力有限，并联机构直线关节的结构不紧凑，行程有限，不利于云台装置的小型化和轻量化的技术问题。
为了便于理解，请参阅图1至图3，图1至图3分别为本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的多视角结构示意图，如图1至图3所示，具体包括：
静平台1，静平台1与机器人本体固定连接；
与静平台1固定连接，且绕底座的中心间距120°设置的三组第一驱动机构2；
分别与每组第一驱动机构2的动力输出端Bi轴连接的第一连接件3，第一驱动机构2带动第一连接件3绕驱动机构旋转运动；
通过第一旋转连接件Pi与第一连接件3活动连接的第二连接件4；
动平台5的底部通过第二旋转连接件Ai与第二连接件4活动连接；
动平台5的上部设置有轴承7，且轴承7与动平台5的中心线共轴；
采集组件6通过轴承7与动平台5旋转活动连接。
需要说明的是，静平台1为云台装置的底座，通过静平台1可以与机器人本体固定连接。第一驱动机构2有三组，分别与静平台1固定连接，且绕静平台1的中心间距120°排布。第一驱动机构2可以包括但不限定于直驱电机或直驱电机加减速器的结构形式，第一驱动机构2将控制信号转化为驱动动力输出端Bi执行旋转运动的动力输出。与第一驱动机构2的输出端轴连接的第一连接件3也分别有三组，第一连接件3的另一端通过第一旋转连接件Pi与第二连接件4连接，其中第一旋转连接件Pi可以为旋转关节。第二连接件4的另一端通过第二旋转连接件Ai与动平台5的底部连接，其中第二旋转连接件Ai可以为球关节。
进一步地，第一驱动机构2还包括角度传感器，用于获取第一驱动机构2的动力输出端Bi的位置信号。
可以理解的是，一个第一驱动机构2、第一连接件3、第一旋转连接件Pi、第二连接件4、第二旋转连接件Ai以及角度传感器构成一组动力单元，整个云台装置的静平台1上设置有三组动力单元，从而形成3-RRS并联机构。
进一步地，采集组件6包括：
主框架6-1、视觉传感器6-2、第二驱动机构6-3以及测控单元6-4；
视觉传感器6-2以及测控单元6-4分别固定设置于主框架6-1上，且视觉传感器6-2的光轴与动平台5的中心轴线存在第一角度的夹角；
第二驱动机构6-3与主框架6-1固定连接，且第二驱动机构6-3的动力输出端Bi通过第三连接件与轴承7连接，第二驱动机构6-3带动采集组件6与动平台5旋转活动。
需要说明的是，视觉传感器6-2固定设置于主框架6-1上，且视觉传感器6-2的光轴与动平台5的中心轴线存在第一角度的夹角。视觉传感器6-2的数量可以为一个或一个以上。
若视觉传感器6-2的数量为两个或两个以上，则两个多两个以上视觉传感器6-2的光轴均与动平台5的中心轴线存在第一角度的夹角，能够增强图像采集的效率和实时性。
若视觉传感器6-2的数量为两个或两个以上，则两个或两个以上视觉传感器6-2的光轴与动平台5的中心轴线的夹角分别为不同的角度，能够进一步地增大工作空间。
第二驱动机构6-3与主框架6-1固定连接，且第二驱动机构6-3的动力输出端Bi通过第三连接件与轴承7连接，带动采集组件6与动平台5旋转活动，第二驱动机构6-3与轴承7之间的连接方式与第一驱动机构2与动平台5之间的连接方式类似。第二驱动机构6-3具有与第一驱动机构2相同的结构形式。
在本申请实施例中，第二驱动机构6-3的动力输出端Bi通过齿轮副带动采集组件6绕动平台5旋转，但实际传动方式包括但不限定于上述传动模式。
进一步地，测控单元6-4包括惯性测量元件以及控制器；
控制器分别与三组第一驱动机构2、第二驱动机构6-3的控制端和输出端以及惯性测量元件、视觉传感器6-2、机器人本体的惯性测量元件以及控制器的输出端连接。
需要说明的是，如图6所示本申请实施例中一种用于机器人的并联机构云台装置的控制系统框图，控制器通过与惯性测量元件的输出端连接来获取末端坐标系的姿态信息以及加速度信息，机器人本体的惯性测量元件的输出端同样与控制器连接，用于向控制器提供静平台1坐标系的姿态信息以及加速度信息。同时，控制器还可以获取到视觉传感器6-2采集的图像信息，以及机器人本体的控制器的控制信息。
控制器根据预设计算方式对获取到的信息进行解算，从而生成对第一驱动机构2以及第二驱动机构6-3的控制指令。
第一驱动机构2和第二驱动机构6-3根据控制器发送的控制指令，转换为电机驱动轴运动，最终通过3-RRS并联机构和偏航机构，带动末端坐标系运动，完成对视觉传感器6-2的姿态和位置调整。
请参阅图4和图5，如图4所示建立用于机器人的并联机构云台装置的机构简图，对该机构求取运动学逆解，即根据从静平台1坐标系到视觉传感器6-2所在的末端坐标系的位姿转换关系，求取各驱动机构(包括第一驱动机构2和第二驱动机构6-3)的控制参数(输出轴转角或角速度)。以第一驱动机构2的动力输出端Bi所在平面建立静平台1坐标系O-XYZ，以第二旋转连接件Ai所在平面建立动平台5坐标系O′-UVW，以采集组件6的主框架6-1的安装平面建立末端坐标系O″-U′V′W′。静平台1坐标系O-XYZ到动平台5坐标系O′-UVW的欧拉角记为ψ、θ、φ，则其姿态变换矩阵为R(ψ，θ，φ)；
在初始状态下，从O-XYZ到O′-UVW的欧拉角为(0，0，0)，O′位于OZ轴上；
欧拉角ψ、θ、φ可选取任意组合形成，如Z-X-Z、Z-X-Y、Z-Y-X等，O′-UVW中的自量
在O-XYZ中的可表示为
设各第一驱动机构2的动力输出端Bi的轴线方向向量为ci，根据关节和杆件的结构关系，有
其中，O′在O-XYZ中的坐标为
Ai在O-XYZ中的坐标为
光轴与动平台5轴线的夹角记为γ，头部绕O′W轴旋转的偏航角记为λ，γ的角度选取决定了云台装置姿态角的工作空间，优选的，当γ取某一角度时，可实现视觉传感器6-2工作空间的最大范围。
对于视觉传感器6-2，光轴的方向向量
在O′-UVW中可表示为
光心在O″-U′V′W′坐标记为
进一步可得：
由以上关系，并代入(1)(2)(3)可建立机构的完整约束条件，其中独立输出变量为ψ′θ′φ′ZC，与输入变量β1、β2、β3、λ的解析关系表示为：
请参阅图7，图7为本申请实施例中一种位姿控制方法的第一个方法流程图，如图7所示，包括：
S1、采集组件6获取末端坐标系的目标姿态以及静平台1坐标系的第一实际姿态；
S2、采集组件6根据第一实际姿态到目标姿态的姿态变换，得到三个第一驱动机构2的输出轴转角和第二驱动机构6-3的输出轴转角；
S3、采集组件6将三个第一驱动机构2的输出轴转角分别发送至三个第一驱动机构2和第二驱动机构6-3的控制端，使得三个第一驱动机构2和第二驱动机构6-3根据输出轴转角输出动力；
S4、采集组件6获取末端坐标系的第二实际姿态；
S5、采集组件6判断第二实际姿态到目标姿态的误差值是否在预设范围内，若是，则完成位姿控制，若否，则根据第一实际姿态到第二实际姿态的姿态变换，得到三个第一驱动机构2和第二驱动机构6-3的输出轴转角，并返回至步骤S3。
需要说明的是，采集组件6中测控单元6-4的控制器接收到末端坐标系的目标姿态Tm和由机器人本体的惯性测量元件采集的静平台1坐标系Tj′。
其中，目标姿态Tm根据云台工作的方式给出：在云台的目标搜索模式(即全向巡视寻找目标)下，目标姿态可以是在工作空间内的几个极限位置，云台装置在其间进行往复循环运动直至搜索到目标；在云台的目标跟踪模式下，目标姿态可以是根据跟踪对象在视觉坐标系中的目标位置求得，当视觉坐标系中的目标位置和实际位置差距大于预设值时，云台按照目标姿态执行运动；目标姿态也可以是机器人存储器中预先保存的一些固定数据，例如在云台本身作为机器人的头部时，执行一些特定的交互动作。
各驱动机构的输出轴转角β1、β2、β3、λ，根据解析式(4)得出，其中ψ′θ′，φ′为从Tj′到Tm的姿态变换矩阵对应的欧拉角，ZC在姿态控制方式下可以设置为常量。在驱动机构完成角度控制的执行后，通过测控单元6-4的惯性测量元件，对末端坐标系的实际姿态Tm′进行采集，并交由控制器判断从Tm′到Tm的误差是否在容许范围内。若误差大于容许值，则进行姿态修正。此时可将驱动机构的输出轴转角设置为2βi-βir(i＝1，2，3)和2λ-λr并执行动作。云台装置不断执行上述过程，直至误差小于或等于容许值。至此完成对云台装置的姿态控制。
请参阅图8，图8为本申请实施例中一种位姿控制方法的第二个方法流程图，如图8所示，包括：
S6、将预设时间点末端坐标系姿态设置为初始姿态，采集组件6对预设时间点采集得到的测控单元6-4的惯性测量元件的第三实际姿态进行记录；
S7、采集组件6获取到末端坐标系的实时的第四实际姿态；
S8、若第四实际姿态到第三实际姿态的误差值不在预设范围内，则采集组件6根据机器人本体的惯性测量元件测量得到的静平台1坐标系的第五实际姿态到第四实际姿态的姿态变换，得到三个第一驱动机构2的输出轴转角，将三个第一驱动机构2的输出轴转角分别发送至三个第一驱动机构2的控制端，使得三个第一驱动机构2根据输出轴转角输出动力。
需要说明的是，为了隔离机器人本体的角度震荡，实现姿态稳定，提高视频采集的质量，本申请提供了一种位姿控制方法的第二个实施例。
设置某一时刻的末端坐标系姿态为初始姿态，测控单元6-4对该时刻测控单元6-4的惯性测量元件的实际姿态进行采集并记录为Tm，0。在移动机器人的工作过程中，测控单元6-4的惯性测量元件对末端坐标系的实际姿态进行实时测量，记为Tm′。当控制器判断从Tm′到Tm，0的变化量超出预设值时，执行姿态修正。机器人本体的惯性测量元件对当前时刻静平台1坐标系的实际位姿进行测量，记为Tm′，根据从Tm′到Tm，0的姿态变换矩阵，通过前述方法求出对应各驱动机构的输出轴转角β1、β2、β3、λ，并进行角度控制的执行，最终完成对云台装置的姿态稳定控制。
请参阅图9，图9为本申请实施例中一种位姿控制方法的第三个方法流程图，如图9所示，包括：
S9、采集组件6获取机器人本体的惯性测量元件测量得到的静平台1坐标系的Z向实际加速度；
S10、采集组件6根据Z向实际加速度计算得到三个第一驱动机构2对应的角速度；
S11、采集组件6将三个第一驱动机构2的角速度分别发送至三个第一驱动机构2的控制端，使得三个第一驱动机构2根据角速度输出动力。
需要说明的是，为了隔离机器人本体的纵向振动，提高视频采集的质量，本申请实施例提供了一种位姿控制方法的第三个实施例。
机器人本体的惯性测量元件对静平台1坐标系的Z向加速度进行实时测量，记为
测控单元6-4的控制器根据
计算各驱动机构对应的角加速度
其中：
各驱动机构的输出轴按照相应角加速度指令执行运动，完成对于纵向振动的抑制。需要指出的是控制系统和相应执行单元对于扰动的抑制能力，取决于系统的整体动态响应。
进一步地，还可引入速度环进行控制，进一步提高系统的平稳性，具体为：
基于(4)式求取
对应ψ′，θ′，φ′的一阶全微分，基于测控单元6-4的惯性测量元件求取姿态角的角速度，并代入全微分方程，求得各输出轴转角的角速度，完成对各驱动机构的速度控制。
本申请实施例中，提供了一种用于机器人的并联机构云台装置、位姿控制方法及控制器，通过三个第一驱动机构构成的3-RRS并联机构以及一个第二驱动机构构成的1-偏航机构的机构形式，3-RRS并联机构具有刚度大、精度高、动态性能好、易于轻量化和小型化的优点，同时1-偏航机构的设置增大了并联机构的工作空间，解决了串联云台从动平台到静平台，每一级关节的等效惯量会逐级叠加，影响动态性能，定位误差会逐级累计，难以做到很高的控制精度，开链式结构的刚度一般，承载能力有限，并联机构直线关节的结构不紧凑，行程有限，不利于云台装置的小型化和轻量化的技术问题。
进一步地，本申请提供的位姿控制方法基于从静平台坐标系到末端坐标系的欧拉变换矩阵和机构的几何约束条件，对逆运动学进行解算，分解成各动力单元的控制参数，实现对视觉传感器的位置和姿态控制。
进一步地，本申请提供的位姿控制系统的测控单元对各种信息进行采集和解算，并生成相应的控制指令；驱动机构执行相关指令，并带动末端坐标系运动，完成对云台装置的位姿控制；通过控制系统的配合和位姿控制方法的运用，可实现图像搜索、跟踪、交互动作、扰动抑制等功能。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数量在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于机器人的并联机构云台装置，其特征在于，包括：
静平台，所述静平台与机器人本体固定连接；
与所述静平台固定连接，且绕所述底座的中心间距120°设置的三组第一驱动机构；
分别与每组所述第一驱动机构的动力输出端轴连接的第一连接件，所述第一驱动机构带动所述第一连接件绕所述驱动机构旋转运动；
通过第一旋转连接件与所述第一连接件活动连接的第二连接件；
动平台的底部通过第二旋转连接件与所述第二连接件活动连接；
所述动平台的上部设置有轴承，且所述轴承与所述动平台的中心线共轴；
采集组件通过所述轴承与所述动平台旋转活动连接。
2.根据权利要求1所述的用于机器人的并联机构云台装置，其特征在于，所述采集组件包括：
主框架、视觉传感器、第二驱动机构以及测控单元；
所述视觉传感器以及所述测控单元分别固定设置于所述主框架上，且所述视觉传感器的光轴与所述动平台的中心轴线存在第一角度的夹角；
所述第二驱动机构与所述主框架固定连接，且所述第二驱动机构的动力输出端通过第三连接件与所述轴承连接，所述第二驱动机构带动所述采集组件与所述动平台旋转活动。
3.根据权利要求2所述的用于机器人的并联机构云台装置，其特征在于，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构还包括角度传感器。
4.根据权利要求2所述的用于机器人的并联机构云台装置，其特征在于，所述测控单元包括惯性测量元件以及控制器；
所述控制器分别与三组所述第一驱动机构、所述第二驱动机构的控制端和输出端以及所述惯性测量元件、所述视觉传感器、机器人本体的惯性测量元件以及控制器的输出端连接。
5.根据权利要求2所述的用于机器人的并联机构云台装置，其特征在于，若所述视觉传感器的数量为两个或两个以上，则两个多两个以上所述视觉传感器的光轴均与所述动平台的中心轴线存在所述第一角度的夹角。
6.根据权利要求2所述的用于机器人的并联机构云台装置，其特征在于，若所述视觉传感器的数量为两个或两个以上，则两个或两个以上所述视觉传感器的光轴与所述动平台的中心轴线的夹角分别为不同的角度。
7.一种位姿控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任意一项所述的用于机器人的并联机构云台装置，所述方法包括：
S1、采集组件获取末端坐标系的目标姿态以及静平台坐标系的第一实际姿态；
S2、所述采集组件根据所述第一实际姿态到所述目标姿态的姿态变换，得到三个第一驱动机构和第二驱动机构的输出轴转角；
S3、所述采集组件将三个所述第一驱动机构和所述第二驱动机构的输出轴转角分别发送至三个所述第一驱动机构和所述第二驱动机构的控制端，使得三个所述第一驱动机构和所述第二驱动机构根据所述输出轴转角输出动力；
S4、所述采集组件获取末端坐标系的第二实际姿态；
S5、所述采集组件判断所述第二实际姿态到所述目标姿态的误差值是否在预设范围内，若是，则完成位姿控制，若否，则根据所述第一实际姿态到所述第二实际姿态的姿态变换，得到三个所述第一驱动机构和所述第二驱动机构的输出轴转角，并返回至步骤S3。
8.根据权利要求7所述的位姿控制方法，其特征在于，还包括：
S6、将预设时间点末端坐标系姿态设置为初始姿态，所述采集组件对所述预设时间点采集得到的测控单元的惯性测量元件的第三实际姿态进行记录；
S7、所述采集组件获取到末端坐标系的实时的第四实际姿态；
S8、若所述第四实际姿态到所述第三实际姿态的误差值不在预设范围内，则所述采集组件根据机器人本体的惯性测量元件测量得到的静平台坐标系的第五实际姿态到所述第四实际姿态的姿态变换，得到三个所述第一驱动机构的输出轴转角，并返回至步骤S3。
9.根据权利要求8所述的位姿控制方法，其特征在于，还包括：
S9、所述采集组件获取所述机器人本体的惯性测量元件测量得到的静平台坐标系的Z向实际加速度；
S10、所述采集组件根据所述Z向实际加速度计算得到三个所述第一驱动机构对应的角速度；
S11、所述采集组件将三个所述第一驱动机构的角速度分别发送至三个所述第一驱动机构的控制端，使得三个所述第一驱动机构根据所述角速度输出动力。
10.一种位姿控制器，其特征在于，包括：
第一获取单元，用于获取末端坐标系的目标姿态以及静平台坐标系的第一实际姿态；
计算单元，用于根据所述第一实际姿态到所述目标姿态的姿态变换，得到三个第一驱动机构的输出轴转角；
发送单元，用于将三个所述第一驱动机构的输出轴转角分别发送至三个所述第一驱动机构的控制端，使得三个所述第一驱动机构根据所述输出轴转角输出动力；
第二获取单元，用于获取末端坐标系的第二实际姿态；
处理单元，用于判断所述第二实际姿态到所述目标姿态的误差值是否在预设范围内，若是，则完成位姿控制，若否，则根据所述第一实际姿态到所述第二实际姿态的姿态变换，得到三个所述第一驱动机构的输出轴转角，并跳转至所述发送单元。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103291494A (zh) * | 2013-07-02 | 2013-09-11 | 上海交通大学 | 运动解耦含有移动副的轴对称矢量喷管调节机构 |
| CN105666467A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-06-15 | 燕山大学 | 一种含回转驱动支链的三自由度混联转动平台机构 |
| WO2016188368A1 (zh) * | 2015-05-26 | 2016-12-01 | 韩方元 | 一种多运动平台并联机器人构建方法及其并联机器人 |
| DE102018119982A1 (de) * | 2017-08-23 | 2019-02-28 | Fanuc Corporation | Roboter und Roboter mit parallelen Gliedern |
| CN113119076A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-07-16 | 华中科技大学 | 一种三自由度并联机构的姿态闭环反馈控制方法和系统 |
| CN113545851A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-10-26 | 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 | 重建器械术野中心的控制方法、系统、设备和存储介质 |
| US20210331323A1 (en) * | 2020-04-28 | 2021-10-28 | Ubtech Robotics Corp Ltd | Control system and method for movement of neck mechanism for robot |
-
2022
- 2022-09-20 CN CN202211148912.4A patent/CN115816423A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103291494A (zh) * | 2013-07-02 | 2013-09-11 | 上海交通大学 | 运动解耦含有移动副的轴对称矢量喷管调节机构 |
| WO2016188368A1 (zh) * | 2015-05-26 | 2016-12-01 | 韩方元 | 一种多运动平台并联机器人构建方法及其并联机器人 |
| CN105666467A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-06-15 | 燕山大学 | 一种含回转驱动支链的三自由度混联转动平台机构 |
| DE102018119982A1 (de) * | 2017-08-23 | 2019-02-28 | Fanuc Corporation | Roboter und Roboter mit parallelen Gliedern |
| US20210331323A1 (en) * | 2020-04-28 | 2021-10-28 | Ubtech Robotics Corp Ltd | Control system and method for movement of neck mechanism for robot |
| CN113119076A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-07-16 | 华中科技大学 | 一种三自由度并联机构的姿态闭环反馈控制方法和系统 |
| CN113545851A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-10-26 | 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 | 重建器械术野中心的控制方法、系统、设备和存储介质 |
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